英文原题：Tailoring Kidney Transport of Organic Dyes with Low-Molecular-weight PEGylation
作者：Bujie Du (杜步婕)，Xingya Jiang (蒋兴垭)，Yingyu Huang (黄颖钰)，Siqing Li (李思清)， Jason C Lin, Mengxiao Yu (余梦晓)，Jie Zheng (郑杰)*
通讯作者：Jie Zheng (郑杰), The University of Texas at Dallas
邮箱：jiezheng@utdallas.edu
研究超小型纳米材料的微小变化如何引起不同的生物体响应是非常重要并且基本的问题。这些基础研究不仅可以帮助我们更清楚地在纳米水平上了解我们的生物体，同时对于调控纳米材料的功能性以及毒性等具有重要的指导意义。在过去的几十年，研究人员努力研究硬纳米材料的微小变化和生物响应之间的关系并发现了一系列的尺寸效应，其中包括在生物体清除和肿瘤靶向方面。例如，Chan等发现金纳米颗粒靶向肿瘤的效率很强地依赖于纳米颗粒的尺寸并且观察到60 nm 能够最大程度地靶向肿瘤。Choi等发现肾小球滤过量子点也是依赖于尺寸并且~5.5 nm 是肾小球能滤过的临界值。在2017年，郑杰实验室发现尺寸小于1 nm的金纳米团簇（尽管金纳米团簇之间只有微小的7个金原子的区别）在肾小球中的滤过依赖于一个和传统认知所不同的相反尺寸效应，即在1 nm以下，金原子越少的金纳米团簇被肾脏清除的越慢，并且肾脏清除的速度随着金原子的减少指数下降。这些重大的发现清晰地表明生物体能够灵敏地对这些看似变化不大的硬纳米材料做出足够强的响应。除了硬材料，软材料在疾病的诊断和治疗方面也有着广大的应用，然而，相应的软材料的微小尺寸变化如何引起生物体的不同响应目前尚不清楚。
PEG分子的生物相容性、双亲性、尺寸可调控性以及可改变被修饰分子的生物特性都使得PEGylation成为目前在医药方面最广泛使用的化学修饰方法。PEG分子被肾小球清除也具有尺寸效应，即分子量介于1500-4000 Da的PEG分子能够快速地通过肾小球滤过膜，然而分子量介于6000-40000 Da的PEG分子和肾小球滤过膜有相互作用且越大的PEG分子通过肾小球滤过膜越困难，使得它们被清除到尿液的量也相应地减少。例如，PEG10 kDa, PEG20 kDa以及PEG40 kDa在24小时注射之后所清除到尿液的含量成递减的趋势，分别为44.1, 42.2, 14.7% ID (注射量的百分比)。正因为如此，PEGylation对于调控小分子的血液停留时间以及清除动力学已经成为一个简单又普遍使用的化学方法。例如，分子量大于20 kDa PEG分子的共价连接明显地提高了ICG (吲哚菁绿)在血液中的停留时间。然而，由于分子量小于10 kDa的PEG分子快速地被肾小球滤过，它不能明显并有效地延长有机小分子在血液的停留时间。例如，分子量为2000 Da的PEG分子仅仅使zidovudine的血液停留时间提高了15%。基于目前的研究，人们普遍认为分子量大于10000 Da的PEGylation才能够有效地调控（降低）小分子的肾脏清除速度，但低分子量（<10000 Da）的PEGylation只能对小分子的肾脏清除速度做出微小甚至可以忽略的调控。然而，对于不同尺寸且小于10 kDa的PEGylation到底如何影响小分子的肾脏清除目前没有一个系统的研究。科研人员所观察到的生物体对于硬纳米材料的高灵敏度激励着人们重新来研究PEGylation（软材料）的微小尺寸变化如何引起生物体的响应并需解决以下问题：（1）生物体对于分子量低于10 kDa且不同尺寸的PEG分子能否有效地做出不同的响应？（2）低分子量的PEGylation到底是如何影响小分子的肾脏清除的？
针对以上亟待解决的问题，德克萨斯大学达拉斯分校的郑杰教授和本文的第一作者杜步婕博士选择了一个具有代表性，红外一区并且肾脏可清除的染料（IRDye800CW）进行一系列不同分子量（均小于10 kDa）的PEG修饰（PEG22, PEG45, PEG77, PEG110, PEG220）并研究其生物体的响应。传统认为，分子量越大的PEGylation能够更有效地调控小分子的肾脏清除，然而，郑杰团队发现了一个独特的分子量尺寸效应，即PEG45 （分子量为2100 Da）能最大程度地加快IRDye800CW的肾脏清除（图1）。
图1. 分子量低于10 kDa的PEGylation 对IRDye 800CW 肾脏清除的影响。
为了进一步的研究，郑杰团队对此研究了800CW, 800CW-PEG22, 800CW-PEG45以及800CW-PEG220的药代动力学（图2）。他们发现PEG45的独特性是因为PEG45不仅加快了IRDye800CW 的肾小球滤过同时缩减了其与生物基本组织的作用。
图2. 分子量低于10 kDa的PEGylation 对IRDye 800CW 药代动力学的影响。
正因为800CW-PEG45的快速肾脏清除以及和生物背景组织的弱作用，PEG45成功地帮助800CW非介入性地点亮生物体的肾脏（图3）。
图3. 非介入性的实时监测800CW-PEG45在肾脏中的动态变化以及其在肾脏组中的分布。
另外，此PEG45的独特性可以普适到另外两种有机小分子染料，ZW800-1和荧光素（fluorescein）（图4）。
图4. PEG45 的普适性。
此工作的发现突出了低分子量PEGylation对于调控有机小分子染料在生物体中流动速度的重要性，这将扩充小分子在生物医药中的应用。本研究的相关结果发表于Bioconjugate Chemistry, 并被选为 ACS Editors' Choice。本项目得到了NIH, Welch Research Foundation的资金支持。
Bioconjugate Chem. 2019, ASAP
Publication Date: November 7, 2019
https://doi.org/10.1021/acs.bioconjchem.9b00707
Copyright © 2019 American Chemical Society
